CN113582155A - 一种生物质炭中间层及其制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生物质炭中间层及其制备方法及应用，包括对纤维生物质材料进行预处理得到第一前驱体；将第一前驱体在保护气氛下进行煅烧、冷却得到生物质炭；将生物质炭经压片、裁剪，得到生物质炭中间层。本发明制备的中间层具有一维空心管结构可提供大量锂离子传输通道以及丰富的孔隙结构，从而可以更加有效地吸附多硫化物，极大地增加了锂硫电池的循环稳定性。同时作为生物质炭具有来源广泛，造价低廉等优势，可以大幅度节约生产成本，有利于工业化生产。

Description

一种生物质炭中间层及其制备方法及应用
技术领域
本发明属于锂硫电池技术领域，具体属于一种生物质炭中间层及其制备方法及应用。
背景技术
二十世纪末期，锂离子电池成功实现了商业化应用，而后得到了广泛的研究和应用，但当下随着纯锂离子电池发展的瓶颈出现，具有高能量密度、低成本、环境友好型等优势的锂硫电池引起了人们广泛的关注和研究。
但是锂硫电池的劣势极大地阻碍了它的商业化应用，其中“穿梭效应”是影响锂硫电池性能的主要因素之一，正极硫在放电过程中转化成可溶于有机电解液的多硫化物并穿过隔膜到达负极区域即形成“穿梭效应”，导致锂硫电池中活性物质利用率的降低进而影响锂硫电池的电化学性能，而对中间层的研究是解决“穿梭效应”的重要途径之一。
在隔膜与正极之间的加入的中间层，一方面可以作为第二集流体改善锂硫电池正极的导电性，另一方面可以通过吸附多硫化物来抑制“穿梭效应”的发生从而提升锂硫电池的电化学性能。因此，研究一种性能优越的锂硫电池中间层成为了改善锂硫电池性能的重要方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种生物质炭中间层及其制备方法及应用，生物质炭具有来源广泛，造价低廉等优势，可以大幅度节约生产成本，有利于工业化生产，使用本发明的生物质炭中间层可以极大地增加了锂硫电池的循环稳定性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种生物质炭中间层的制备方法，具体步骤如下：
S1对纤维生物质材料进行预处理得到第一前驱体；
S2将第一前驱体在保护气氛下进行煅烧、冷却得到生物质炭；
S3将生物质炭经压片、裁剪，得到生物质炭中间层。
进一步的，步骤S1中，纤维生物质材料为废弃棉柔巾或废弃的棉纤维织物。
进一步的，步骤S1中，预处理为对纤维生物质材料进行酸洗。
进一步的，所述酸洗为将纤维生物质材料浸泡在浓度为0.2mol/L-1.5mol/L的盐酸中2h-5h，酸洗后水洗至中性，干燥得到第一前驱体。
进一步的，步骤S2中，所述保护气氛为氮气、氩气或二者混合气。
进一步的，步骤S2中，所述煅烧为在管式炉中600℃-900℃下高温煅烧2h-5h，冷却至室温得生物质炭。
进一步的，步骤S3中，所述裁剪采用裁片机。
进一步的，步骤S3中，所述生物质炭中间层的厚度为0.09mm-0.11mm。
本发明还提供一种生物质炭中间层，采用上述制备方法制得，所述生物质炭中间层上具有一维空心管结构。
本发明还提供一种生物质炭中间层的应用，所述生物质炭中间层用于制备锂硫电池，所述锂硫电池在0.5C的充放电电流密度下具有536mAh·g-1的初始比容量，经100次循环后比容量为449mAh·g-1，平均每次循环容量衰减0.16％。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提出的一种生物质炭中间层的制备方法，将纤维生物质材料预处理后经过一步碳化法制得到生物质炭中间层，生物质炭中间层可作为上层集流体大幅度提升锂硫电池的比容量和倍率性能，也可通过物理吸附的方法使用多孔吸附的方法增加多硫化物的迁移路径，还可以通过化学吸附的方法使用中间层材料与多硫化物之间形成的化学键吸附多硫化物，达到提升锂硫电池性能的作用；本发明制备方法操作较为简单，可以大幅度减少时间、经济成本，更加有利于商业化生产，有望应用于储能***及新能源领域。
本发明中得到生物质炭具有一维空心管结构，一方面可以增多中间层中可供锂离子运输的通道，从而提高锂硫电池的电化学性能。另一方面，可以增大中间层的比表面积从而更加有效的对多硫化物进行转化和吸附从而抑制“穿梭效应”提高锂硫电池的循环稳定性和多硫化物的利用率。
本发明中以废弃棉柔巾或废弃的棉纤维织物为生物质炭基材料具有较好的导电性能、吸附性能，由其制成的中间层对于锂硫电池中由于氧化还原反应所产生的多硫化物有一定的吸附作用，进而有效地提升电池的循环性能。
附图说明
图1为本发明实施例1步骤二制备的生物质炭的SEM图。
图2为本实验实施例1步骤二制备的生物质炭的孔径分布图。
图3为本实验实施例1步骤二制备的生物质炭的吸附曲线图。
图4为使用本发明实施例1制备的生物质炭中间层的锂硫电池的循环曲线图。
图5为使用本发明实施例1制备的生物质炭中间层的锂硫电池的充放电曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明，下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供的一种生物质炭中间层的制备方法，包括如下步骤：
(1)将纤维生物质材料使用0.2mol/L-1.5mol/L的盐酸，浸泡时间为2h-5h进行酸洗，而后水洗至中性，干燥得到第一前驱体。
(2)将第一前驱体置于通入氮气、氩气或二者混合气的管式炉中于600℃-900℃下高温煅烧2h-5h，冷却至室温得生物质炭。
(3)将生物质炭进行压片得到厚度为0.09mm-0.11mm的生物质炭层，用裁片机剪裁后，即得到生物质炭中间层。
优选的，纤维生物质材料为废弃棉柔巾或废弃的棉纤维织物；
优选的，将生物质炭层裁剪为直径为16mm的圆形，可作为扣式电池中间层，或根据其他种类电池裁可剪直径为2mm-50mm的中间层。
实施例1：
步骤一：将废弃棉柔巾使用0.2mol/L的盐酸浸泡5h进行酸洗，然后水洗至中性、干燥，得到第一前驱体。
步骤二：将步骤一中第一前驱体置于通入氮气的管式炉中，于800℃下加热3h，冷却至室温得到生物质炭。
步骤三：将步骤二中所制生物质炭经压片处理后得到厚度为0.09mm的生物质炭层，用裁片机剪裁成直径为16mm的圆形中间层即完成中间层的制备。
图1为实施例1制得的生物质炭中间层的SEM图，从图中可以看到制得的中间层具有一维空心管结构，可以起到物理阻隔和抑制多硫化物的扩散的作用，进而提高活性物质的利用率和电池比容量。
图2为实施例1中生物质炭的孔径分布图，图3为实施例1中生物质炭的吸附曲线图，该材料的比表面积为519.92m2/g，总孔体积为0.15cm3/g，表明该材料具有丰富的孔隙结构，主要包括微孔和介孔，因而该生物质炭材料可以极大地抑制“穿梭效应”，从而提升锂硫电池的电化学性能。
图4为使用实施例1中制得的生物质炭中间层制备的锂硫电池的循环曲线图，从图中可以看到该中间层的存在明显提升了电化学性能。
图5为使用实施例1中制得的生物质炭中间层制备的锂硫电池的充放电曲线图，使用该中间层后可大幅减小锂硫电池的极化现象，有效改善其电化学性能。
实施例2：
步骤一：将废弃棉柔巾使用0.4mol/L的盐酸浸泡5h进行酸洗，然后水洗至中性、干燥，得到第一前驱体。
步骤二：将步骤一中第一前驱体置于通入氩气的管式炉中，900℃下加热2h，冷却至室温得到生物质炭。
步骤三：将步骤二中所制生物质炭经压片处理后得到厚度为0.11mm的生物质炭层，用裁片机剪裁成直径为2mm的圆形中间层，即完成中间层的制备。
实施例3：
步骤一：将废弃纯棉面料衣物使用0.6mol/L的盐酸浸泡4h进行酸洗，然后水洗至中性、干燥，得到第一前驱体。
步骤二：将步骤一中第一前驱体置于通入氮气与氩气二者混合气的管式炉中，700℃下加热4h，冷却至室温得到生物质炭。
步骤三：将步骤二中所制生物质炭经压片处理后得到厚度为0.10mm的生物质炭层，用裁片机剪裁成直径为50mm的圆形中间层，即完成中间层的制备。
实施例4：
步骤一：将废弃长绒棉纤维织物使用0.8mol/L的盐酸浸泡3h进行酸洗，然后水洗至中性、干燥，得到第一前驱体。
步骤二：将步骤一中第一前驱体置于通入氮气的管式炉中，600℃下加热5h，冷却至室温得到生物质炭。
步骤三：将步骤二中所制生物质炭经压片处理后得到厚度为0.11mm的生物质炭层，用裁片机剪裁成直径为16mm的圆形中间层，即完成中间层的制备。
实施例5：
步骤一：将废弃短绒棉纤维织物使用1.5mol/L的盐酸浸泡2h进行酸洗，然后水洗至中性、干燥，得到第一前驱体。
步骤二：将步骤一中第一前驱体置于通入氮气的管式炉中，750℃下加热5h，冷却至室温得到生物质炭。
步骤三：将步骤二中所制生物质炭经压片处理后得到厚度为0.09mm的生物质炭层，用裁片机剪裁成直径为16mm的圆形中间层，即完成中间层的制备。
使用该中间层的锂硫电池在0.5C的充放电电流密度下具有536mAh g-1的初始比容量。经100次循环后比容量仍可达449mAh g-1，电池的平均每次循环容量仅衰减0.16％，具有良好的循环性能。而不使用中间层的锂硫电池在0.5C的充放电电流密度下具有505mAh g-1的初始比容量。经100次循环后比容量仅剩余200mAh g-1，电池的循环性能较差。

Claims (10)

1.一种生物质炭中间层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1对纤维生物质材料进行预处理得到第一前驱体；
S2将第一前驱体在保护气氛下进行煅烧、冷却得到生物质炭；
S3将生物质炭经压片、裁剪，得到生物质炭中间层。
2.根据权利要求1所述的一种生物质炭中间层的制备方法，其特征在于，步骤S1中，纤维生物质材料为废弃棉柔巾或废弃的棉纤维织物。
3.根据权利要求1所述的一种生物质炭中间层的制备方法，其特征在于，步骤S1中，预处理为对纤维生物质材料进行酸洗。
4.根据权利要求3所述的一种生物质炭中间层的制备方法，其特征在于，所述酸洗为将纤维生物质材料浸泡在浓度为0.2mol/L-1.5mol/L的盐酸中2h-5h，酸洗后水洗至中性，干燥得到第一前驱体。
5.根据权利要求1所述的一种生物质炭中间层的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述保护气氛为氮气、氩气或二者混合气。
6.根据权利要求1所述的一种生物质炭中间层的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述煅烧为在管式炉中600℃-900℃下高温煅烧2h-5h，冷却至室温得生物质炭。
7.根据权利要求1所述的一种生物质炭中间层的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述裁剪采用裁片机。
8.根据权利要求1所述的一种生物质炭中间层的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述生物质炭中间层的厚度为0.09mm-0.11mm。
9.一种生物质炭中间层，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项所述的制备方法制得，所述生物质炭中间层具有一维空心管结构。
10.权利要求9所述的一种生物质炭中间层的应用，其特征在于，所述生物质炭中间层用于制备锂硫电池，所述锂硫电池在0.5C的充放电电流密度下具有536mAh·g-1的初始比容量，经100次循环后比容量为449mAh·g-1，平均每次循环容量衰减0.16％。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090068545A1 (en) * 2007-09-11 2009-03-12 Korea Institute Of Energy Research Method of manufacturing cellulose electrode for fuel cells, cellulose electrode manufactured thereby, and use of cellulose fibers as fuel cell electrodes
WO2020010750A1 (zh) * 2018-07-09 2020-01-16 华南理工大学 一种氮掺杂3d多孔碳材料及其制备方法与应用
US20200112019A1 (en) * 2017-12-08 2020-04-09 Lg Chem, Ltd. Negative electrode active material for lithium secondary battery and method for preparing the same
CN111847418A (zh) * 2019-04-24 2020-10-30 香港理工大学深圳研究院 钠离子电池负极材料用生物质硬碳的制备方法及其应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090068545A1 (en) * 2007-09-11 2009-03-12 Korea Institute Of Energy Research Method of manufacturing cellulose electrode for fuel cells, cellulose electrode manufactured thereby, and use of cellulose fibers as fuel cell electrodes
US20200112019A1 (en) * 2017-12-08 2020-04-09 Lg Chem, Ltd. Negative electrode active material for lithium secondary battery and method for preparing the same
WO2020010750A1 (zh) * 2018-07-09 2020-01-16 华南理工大学 一种氮掺杂3d多孔碳材料及其制备方法与应用
CN111847418A (zh) * 2019-04-24 2020-10-30 香港理工大学深圳研究院 钠离子电池负极材料用生物质硬碳的制备方法及其应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHENG BANGBEI. ET AL: "Waste cotton cloth derived carbon microtube textile: a robust and scalable interlayer for lithium–sulfur batteries", CHEMICAL COMMUNICATIONS *
徐朝等: "多硫化物阻隔层在锂硫电池中的应用研究进展", 新型炭材料 *

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